Escalones atómicos detienen la oxidación en metales

MADRID, 30 Dic. (EUROPA PRESS) -

   La corrosión por oxidación, el nombre químico más general para la oxidación y otras reacciones del metal con el oxígeno, es un proceso inevitable y persistente. Pero un nuevo estudio de la Universidad de Binghamton, en Reino Unido, revela que ciertas características de las superficies metálicas pueden detener el proceso de oxidación en su recorrido.

   Los resultados, publicados esta semana en 'Proceedings of the National Academy of Sciences', podrían ser relevantes para entender y, tal vez, controlar la oxidación en una gama de materiales, desde catalizadores a superaleaciones utilizadas en las turbinas de los motores a reacción y los óxidos en la microelectrónica.

   Los experimentos se llevaron a cabo por un equipo dirigido por Guangwen Zhou, profesor asociado de Ingeniería Mecánica en la Universidad de Binghamton, en colaboración con Peter Sutter, del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) en el Departamento del Laboratorio Nacional de Brookhaven.

   El equipo utilizó un microscopio de electrones de baja energía (LEEM, por sus siglas en inglés) para capturar los cambios en la estructura superficial de una aleación de níquel-aluminio como "rayas" de óxido de metal formadas y en crecimiento bajo un rango de temperaturas elevadas.

   El metal que Zhou quería estudiar, níquel-aluminio, tiene una característica común a todas las superficies de cristal: una estructura escalonada compuesta de una serie de terrazas planas a diferentes alturas. Los escalones entre las terrazas son sólo de un átomo de altura, pero pueden tener un efecto significativo sobre las propiedades del material.

   Ser capaz de ver los escalones y cómo cambian es esencial para entender cómo se comportará la superficie en diferentes ambientes, en este caso en respuesta al oxígeno, según Sutter. "Conseguir este tipo de conocimiento es esencial para controlar la respuesta de la superficie del metal al medio ambiente", subraya Zhou.

   Los científicos saben desde hace tiempo que los átomos en los bordes de los escalones atómicos son especialmente reactivos. "No están tan completamente rodeados como los átomos que forman parte de las terrazas planas, por lo que son más libres para interactuar con el medio ambiente --explica Sutter--. Juegan un papel en la química de la superficie del material".

   El nuevo estudio, respaldado por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía, demostró que los átomos de aluminio que participan en la formación de rayas de óxido de aluminio surgieron exclusivamente a partir de los escalones, no de las terrazas. Pero las imágenes LEEM revelaron aún más: las rayas de óxido en crecimiento no podían "ascender" hacia arriba o moverse hacia abajo por los escalones, sino que se limitaron a las terrazas planas.

   Para seguir creciendo, tuvieron que empujar los escalones conforme el oxígeno continuó atrapando átomos de aluminio desde los bordes. Esto obligó a los escalones a amontonarse más y más cerca, eventualmente disminuyendo el ritmo de crecimiento de la raya de óxido y, a continuación, deteniéndolo completamente. "Por primera vez, se demuestra que las medidas atómicas pueden retrasar la oxidación superficial en las primeras etapas", afirma Zhou.

   Sin embargo, conforme deja de crecer una raya, otra comienza a formarse. "A medida que las rayas de óxido crecen a lo largo de las dos posibles direcciones en el cristal, que están en ángulos rectos entre sí, una termina con estos patrones de bloques y líneas que recuerdan a las pinturas a base de cuadrículas de Mondrian --señala Sutter--. Son muy hermosas".

   De hecho, los científicos que han estudiado un "corte" diferente o faceta de la aleación de níquel-aluminio cristalina han observado que los escalones en esa superficie no tuvieron ningún efecto sobre el crecimiento de óxido. Además, en esa superficie, los átomos de aluminio en todo el grueso del cristal podrían participar en la formación de óxido de aluminio y las rayas de óxido podrían invadir los escalones, según Zhou.

   Incluso, los detalles y las diferencias de los dos tipos de superficies podrían ofrecer nuevas formas para que los científicos traten de controlar la oxidación en función de su finalidad. "Los óxidos no son todos malos -subraya Sutter--. Forman como una capa protectora contra el ataque de la corrosión. Juegan un papel importante en la química, por ejemplo, en la catálisis. El óxido de silicio es el material aislante en los circuitos microelectrónicos, donde juega un papel central en la dirección del flujo de corriente".

   Saber qué tipo de superficie tiene un material y sus efectos sobre la oxidación o cómo generar superficies con las propiedades deseadas podría mejorar el diseño de estos y otros materiales.

@CIENCIAPLUS